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人工心脏起搏技术探源

 

 

    【摘要】 20世纪前是心脏复苏与起搏技术早期探索阶段。1929年诞生了第一个人工心脏起搏器。之后,人工心脏起搏器不断改进。从其发展历史可以看出,科学技术革命和人类观念的转变对医学发展的重要影响。  

    人工心脏起搏技术的发展和心脏起搏器的应用是心脏病治疗学上的一项重要进展,也是电子技术和生物医学工程技术应用于临床医学的一项重大成果。回顾人工心脏起搏技术发展的历程和心脏起搏器应用的历史,可使我们更加深刻地认识科学技术革命和人类观念的转变对医学发展的重要影响。
心脏复苏与起搏的早期探索
    人类最初获得关于电刺激对人体生理效应认识可以追溯到上古时期。一个早期的“个案报道”曾描述了一个罗马奴隶踩上一条电鯆鱼后其痛风症状缓解的情况,后来有人用电鱼治疗脱肛也获得奇妙疗效。将电鱼作为治疗诸如头痛、发热、癫痫等病症的一种手段的传统一直持续到19世纪中叶。
    早在16世纪末17世纪初,英国皇家医学院院长吉尔伯特(W·Gilbert, 1540-1603),搜集了当时有关磁与电的知识,并自己进行实验观察,著有《磁石》一书,他将有些物体如琥珀摩擦时所产生的力,命名为电(electricity)。该词由希腊词“琥珀”演变而来。他还对磁与电的原因提出了一些思辩性的解释。18世纪以后,人们对电流产生和作用的兴趣大增,莱顿瓶和伏特计的发明为研究电刺激提供了有效的手段。Galvani开始致力于电刺激心脏的研究工作,他用电极放电的方法引起蛙心的收缩。同时,人们对电休克进行心脏复苏怀有极大的兴趣。首次成功地用电刺激复苏心脏的记录可回溯到1774年。根据伦敦皇家学会的报告,Squires利用感应电流在胸外电击一个心跳、呼吸已经停止的患儿获得成功。1776年,Hunter倡议用电刺激急救心脏停搏的溺水者。18世纪末,法国医生Bichat、意大利医生Vasal1i等分别报道过他们在已被斩首的尸体所进行的各种实验观察的结果,其中包括心脏对电刺激的反应。1804年,Aldini指出应用直流电刺激断头尸体的停搏心脏可使其复跳。1858年和1862年Lister和Walshe先后报道了用电刺激交感神经而使心脏复跳的结果。1864年,Althaus应用经胸腔穿刺的金属针直接进行心脏电刺激。1870年,Duchenne应用间断发出的电刺激进行心脏复苏,其中一极接到胸前,另一极接地。他指出:“这种治疗的推论是,越过心轴的心前区电刺激是对抗因心脏抑制引起的晕厥和心脏运行的其它功能紊乱的一种最好方式。”
    1877年,Schiff成功地应用开胸按压的方法使一例因氯仿麻醉意外引起心脏停搏的患者复苏。但其并未引起足够的重视,也未能与心肺复苏进一步联系。1882年,Von Ziemissen对直接心脏电刺激进行了广泛的研究。他将一个电极放在一位患者用皮肤覆盖的心脏上,这位患者因肿瘤做了胸骨外科切除术造成胸壁缺损。他观察到用间断地电刺激引起心率增加,而当起搏率低于自主心率时,心率则变得不规则,这是心律竞争的结果。
    1889年,Mac williams提出了对受抑制的心脏维持治疗性刺激的概念:“人工兴奋方法对于恢复因暂时原因引起的抑制心脏的活动是有用的。”他还描述了经胸心脏刺激的一项技术,并认为这是一种有效的方法,它能通过直接刺激的方式来恢复心脏活动的突然衰弱或因暂时和短暂原因造成的舒张期抑制。1900年,他提出应用盐水浸泡过的电极板放在胸前及背后,为心脏停跳者进行电休克复苏。1908年,Robinovitch报道了应用这种方法成功地复苏一例心脏停搏患者。
    上述医生们进行电刺激对心脏影响的实验观察不仅深化了有关心脏电刺激反应的知识,也为电复苏装置的研究积累了丰富的经验。
人工起搏器的诞生
    1929年,澳大利亚悉尼的一位麻醉师M.C.Lidwill设计出第一个人工起搏器。Lidwill 1878年出生于英格兰的Cheltenham, 1902年毕业于墨尔本大学,1913年他曾设计一种“Lidwill机”用于控制麻醉气体。在E.H.Booth的协助下,Lidwill小组研制成功一种便携式电子起搏器,其可直接连接到普通电源上,使用较方便。这种起搏器的一极放到浸有盐水的皮肤垫,另一极由一个裸露的插入针构成,可插入心脏。起搏器节律是可调节的,每分钟80-120次,电压在1.5-120伏之间。Lidwill小组对多个死产婴儿(Slillborn infants)进行了试验,发现16伏是恰当的刺激强度。他们对那些已采用过人工呼吸和心内注射仍无效的死产婴儿试用起搏器。在一次试验中,他们将起搏器的一极插入心房内进行复苏没有成功,然后他们又插入心室,心脏对起搏器发出的冲动有了反应,成功地挽救了这个婴儿的生命。但该实验并未公开。
    1932年,美国胸科医生A.S.Hyman在纽约贝斯一大卫医院应用自行设计的一台由发条驱动的电脉冲发生器,用穿刺法对心脏停搏的动物右心房进行电刺激,使已经停搏了15分钟的家兔心脏重新应激而起搏。Hyman使用的这个装置是由E.Parsonnet制造的,其净重达7.2公斤,脉冲频率可调节,每分钟可发出30,60及120次的刺激脉冲,包括一个弹簧马达能持续6分钟的电磁发生器,通过经胸腔穿刺的金属针起搏心脏。Hyman给这一器械命名为人工心脏起搏器(Artificial Pacemaker),为人工心脏起搏技术实现临床应用奠定了基础。
但是,Hyman的临床试验遭到一些人的指责,认为这种技术从伦理学方面是不能被接受的。一些狂热的基督教徒甚至用法律条款来威胁他,他们认为复苏已经停跳的心脏是裹读了基督的圣灵。在强大的外界压力下,Hyman仍继续将起搏器应用于临床,在其治疗的43例患者中,14例获得成功。但为了避免舆论指责,Hyman不愿公开报告其研究工作。第二次世界大战的爆发,及随之而来的德国西门子公司研究和发展实验室试验机模型的被破坏,使人工起搏器的研究工作一度中断。
    40年代以后,随着心脏外科的发展,人们对人工干预心律紊乱的调节的消极态度有了改变。人们常常利用电刺激来复苏在手术中停搏的心脏。1949年,加拿大多伦多大学班廷研究所的Bigelow, Callahan和Hopps设计一个起搏器线路,并用一个经静脉的电极导管,用直流电刺激器起搏心脏。他们用脉宽2毫秒、电压75-150伏的刺激,通过放在前胸壁的体外金属板起搏狗的窦房结使心脏复跳成功。他们认为快速的电刺激可超越正常的窦性节律而有效起搏,但是因引起皮肤烧伤、肌肉收缩产生疼痛以及肥胖病人不能有效起搏等原因使临床应用的尝试受到了限制。
    他们的结果在美国外科学会上报告后,鼓舞了医生们去研制更适合于临床应用的装置。1952年,美国哈佛大学医学院心脏病学家Zoll.PM与电机公司的工程师合作研制出一种体外起搏器,并在临床上首次应用体外电起搏器通过胸壁刺激心脏,挽救了两名濒于死亡的完全性房室传导阻滞的病人。这一成果立即引起医学界和工程技术界的重视。然而,这种起搏器依然存在着可能引起病人皮肤烧伤和肌肉收缩疼痛的问题。
    1957年,Weirich, Gott和Lillehei在手术过程中发生心脏传导阻滞的患者身上,把电极安置在心脏上进行心外膜起搏获得成功。这种方式也不会引起胸壁肌肉收缩,但采用开胸安装电极进行心脏起搏仍不是有效简便的方法。于是人们想到了心导管。
    早在1929年,Forssmann在自己身体上证实了心导管的临床价值,这一创举打开了临床应用心导管技术的大门,为研究心脏提供了大量有价值的资料。其主要用于心血管疾病的诊断方面。1958年,Furman和Schwedel应用Cournand心脏导管作为经静脉起搏导管进行心内膜起搏,研究发现用0.5毫安的电刺激就可有效地起搏心室。此外,他们还观察到这是一种安全的技术,使用后没有右心室受损的任何证据。它也使心脏起搏手术大大简化而不需要开胸安装电极,为体外佩戴起搏器的临床应用奠定了基础。
起搏器的改进
    随着起搏器应用的增加,医生们进一步考虑如何使之应用更为方便、有效,更益于病人。瑞士医生A.Senning对心脏起搏器的发展十分关注,发现当时使用的体外佩带式起搏器“十分不方便、起搏阈值可能持续性升高,沿电极导线有感染的危险,局部脓肿、脱位、败血症及最终可能导致病人死亡。因此,他认为研制出完全植入性起搏器效果会更佳。然而,完全植入性起搏器技术要求更高,还需解决使体积减小的问题。
    1956年硅晶体管的问世,使制造体积较小的能够全部植入人体的永久式起搏器成为可能。1957年,Senning与Elema-Schonander公司的工程师Elmquist合作研制出二个小型起搏器,并在动物试验上获得成功。虽然他们并未打算立即投入临床应用,因为电极问题尚未解决。但是,在1958年10月,一位患有完全性房室传导阻滞的病人,经常发生阿斯综合征,而且逐渐加重,甚至达到每天不得不做30次复苏。在患者妻子请求下,Senning医生为其丈夫植入了刚研制出的起搏器,将二根电极经开胸术植入到心肌,并把起搏器装进后直肌鞘中,病人再也未发生阿斯综合征,至1983年患者仍尚在,其先后已更换了23个起搏器,并担任了瑞士心肺疾病协会主席。
    植入式起搏器的临床应用及60年代固态电子学的发展,激发了更多人去改进之。美国、瑞士等欧美制造公司与医学界合作,研制更先进,更复杂的起搏器,以提高其临床应用价值。1960年,美国医生W. Chardack和工程师W.Greatbach研制出一种可完全植入锌汞电池能源的起搏器。1968年Senning及Babotai也设计出一种新型起搏器,提高了其使用寿命达到3-4.2年。
    接下来需解决的问题是起搏器仅能按选定的周期以固定的频率不断发放起搏脉冲,而不能随患者自发心搏的出现而变动,因而可产生相互干扰,形成心律竞争,有些会发生危险。1964年,Castellanos等设计出有R-波抑制电路的按需型起搏器。1966年Neville研制出R-波触发起搏器。这两种装置可感知患者的自发心搏而自动调整电脉冲的发放,从而避免了竞争心律。
随着电子学的巨大发展,心脏起搏器的电路设计愈加精细、复杂,功能愈加广泛。与此同时,起搏器的体积逐渐缩小。在寻找耐用电池、延长起搏器寿命方面,能源工程师进行了艰苦的探索,W. Greatbatch辞退了研究起搏器的工作,开始专攻电池,他先后研制了放射性核素电池、体外充电的镍福电池、生物电池、化学电池等,但都因存在着严重的缺陷和不良影响而不能应用于临床。终于在1970-1972年间他们研制成功了锂电池,这种电池具有高能量密度,高可靠性,自放电小以及应用固体电解质,可以全密封等特点,使埋藏式起搏器的寿命延长到5至10年,这是起搏器发展中意义深远的重大飞跃。与此同时,在起搏器电路中引进了经过宇航工业考验的混合电路,从而为起搏器奠定了长寿命、高可靠性的基础。70年代程序控制起搏器的出现,使人们可根据事先编码通过程序控制器从体外调节植入体内起搏器的工作参数,如起搏脉冲频率、宽度、幅度、起搏器的感知灵敏度、起搏方式等,从而减少重新安置超搏器手术的次数。
    起搏器技术在80年代又出现了突破性的发展,一系列新技术和起搏方式已逐步应用于临床,如体外多功能程序控制、具有质疑和记忆功能的脉冲发生器,更合乎生理功能的DDD型起搏器等,使心脏起搏器的效能更趋完善,应用的适应症更为广泛。
    我国心脏人工起搏技术是60年后发展起来的。1961年,上海市第一人民医院使用自制人工心脏起搏器成功地抢救一例心动极缓伴阿斯综合征病人。这是我国有关起搏器技术的首次报告。1963年,我国研制出固定频率型体外佩带式心脏起搏器。1964年,上海成功地为一患者安置了体外起搏器。1971年上海、南京等地生产了固定频率体外佩带式起搏器并应用于临床。1974年上海、南京、天津、西安等地又先后研制成功按需型体外起搏器,1977年上海医用电子仪器厂研制成功体内埋藏式起搏器。1984年又研制出多功能程序控制埋藏起搏器。目前我国起搏器制造技术已有很大改进。双腔生理型起搏器也在研制之中。虽然我国起搏器研制工作已取得一定成绩,但从总体来看,与国外产品仍有相当差距,有待进一步提高。 

 


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